[发明专利]金属纳米结构阵列的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超微结构的制备方法，尤其涉及一种金属纳米结构的制备方法。

背景技术

近年来，金属纳米结构阵列(特别是贵金属纳米结构阵列，例如金、银等)由于其独特 的物理、化学性能正引起越来越多的关注。由于表面自由电子集体激发所产生的等离子体共 振使金、银、铜等金属纳米结构阵列具有很好的光学特性，并可通过单体尺寸、形貌及其阵 列组合状态的改变得到有效调节，因此它们在光学滤光器、等离激元光波导、生物/化学传感 器、表面增强谱用衬底材料等领域有非常广泛的应用价值，而二维金属纳米结构阵列的可控 制备将是这个领域的关键。

目前，纳米结构阵列通常通过“自上而下”或“自下而上”工艺来制备。“自上而下”工艺主 要指通过光刻等技术实现图形转移，并通过刻蚀等工艺手段实现纳米结构的制造，但该方法 受限于光刻分辨率的大小，价格也比较昂贵；“自下而上”工艺主要有自组装、纳米操纵、基 因控制生长技术等，采用这些方法成本较低，但制造效率也低，且难以实现纳米结构的可控 生长。

对二维金属纳米结构阵列及其制造技术的研究和改进而言，如何解决金属纳米单体颗粒 的形貌特征多样性问题、尺寸问题、阵列均匀性问题、阵列局部缺陷等问题，具有重大的理 论和现实意义，这同时也是本领域技术人员面临的一个巨大挑战。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种通用性强、适应性广、兼容 性好、效率高、成本低且能为研究金属纳米结构阵列特性提供便利的金属纳米结构阵列的制 备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种金属纳米结构阵列的制备方法，包 括以下步骤：

(1)制备单层有序二氧化硅纳米球致密排列：先配制二氧化硅纳米球溶胶体系，将该溶 胶体系旋涂于一硅片表面，在硅片表面形成单层有序二氧化硅纳米球致密排列；

(2)制备单层有序二氧化硅纳米球非致密排列：通过采用感应耦合等离子体(ICP)刻 蚀法将形成所述致密排列的二氧化硅纳米球刻小，在硅片表面得到单层有序二氧化硅纳米球 非致密排列；

(3)制备金属纳米孔阵列掩模：在所述单层有序二氧化硅纳米球非致密排列上沉积金属 膜，金属膜沉积厚度小于所述二氧化硅纳米球粒径，然后腐蚀二氧化硅纳米球，在硅片表面 得到金属纳米孔阵列掩模；

(4)制备纳米结构阵列模版：以所述金属纳米孔阵列掩模作为刻蚀掩模，利用硅片的腐 蚀特性对所述硅片进行腐蚀，然后去除金属纳米孔阵列掩模，得到纳米结构阵列模版；

(5)制备金属纳米结构阵列：将成形用金属淀积在所述纳米结构阵列模版上，再使所述 纳米结构阵列模版和淀积的金属层分离，得到金属纳米结构阵列。

上述本发明提出的技术方案将成熟的硅刻蚀工艺和新兴的纳米球光刻技术结合起来，该 技术方案能够巧妙地利用不同晶向硅片的刻蚀特性，制造出不同形貌特征的纳米结构阵列模 版，再淀积以不同材质的金属材料，与模版分离后即可制备得到多种形貌特征、多种材质的 金属纳米结构阵列。

作为对上述技术方案的优化，所述二氧化硅纳米球溶胶体系中，二氧化硅纳米球的平均 粒径D优选为10nm～5000nm，单分散性优选小于5％。

作为对上述技术方案的优化，所述硅片是指(111)晶向、(110)晶向或(100)晶向硅 片；所述纳米结构阵列模版是指纳米八面体阵列模版、纳米棱柱体阵列模版、纳米金字塔阵 列模版、纳米帽阵列模版、纳米圆柱体阵列模版或者纳米圆锥体阵列模版；

在所述制备纳米结构阵列模版步骤中，利用硅片的腐蚀特性对所述硅片进行腐蚀具体是 指：所述纳米八面体阵列模版、纳米棱柱体阵列模版、纳米金字塔阵列模版是利用各向异性 湿法腐蚀工艺分别对所述(111)晶向、(110)晶向、(100)晶向硅片进行腐蚀后制备得到； 所述纳米帽阵列模版是利用各向同性湿法腐蚀工艺对所述(100)晶向硅片进行腐蚀后制备得 到；所述纳米圆柱体阵列模版或者纳米圆锥体阵列模版是利用感应耦合等离子体干法腐蚀工 艺对所述(100)晶向硅片进行腐蚀后制备得到。